Microcapteurs de particules à base de micropoutres pour le contrôle de la qualité de l'air dans un véhicule automobile

Cantilever microsensors for air quality control in automotive vehicles

• Auteur / Autrice : Simon Grall
• Direction : Hélène Debeda, Isabelle Dufour Dabadie
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique
• Date : Soutenance le 27/03/2019
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de l'intégration du matériau au système (Talence, Gironde)
• Jury : Président / Présidente : Skandar Basrour
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hélène Debeda, Mohamed Saadaoui, Xavier Hochart, Vincent Aubry
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Gaëlle Lissorgues, Jean-Paul Viricelle

Mots clés

Mots clés contrôlés

Pollution de l'air

Systèmes microélectromécaniques

Capteurs optiques

Mots clés libres

Micropoutre

Pzt

Sérigraphie

Capteur gravimétrique

Mems

Particules

Microcantilever

Pzt

Screen-Printing

Gravimetric sensor

Mems

Particle matter

Résumé

Les particules fines ont un impact réel sur la qualité de vie et la santé de millions de personnes dans les grandes zones urbaines, notamment en Asie. Pour les détecter et quantifier leur concentration, les capteurs de particules optiques sont les plus couramment étudiés, mais restent relativement chers et volumineux. Les transducteurs MEMS micropoutres sont largement utilisés pour des applications gravimétriques, pour la détection de particules ou de gaz, ce qui requiert des sensibilités massiques (Sm) élevées et des limites de détection (LOD) basses. Pour cela les micropoutres les plus adaptées sont celles ayant des fréquences de résonance (f0) et facteurs de qualité (Q) élevés, avec de faibles bruits de mesure et des masses faibles. Les micropoutres silicium sont couramment utilisées en tant que capteurs gravimétriques et sont de sérieux candidats pour répondre aux caractéristiques souhaitées. Cependant, la sérigraphie a le potentiel pour une fabrication moins chère, plus rapide et aussi à grande échelle. Pour ces micropoutres, l'actionnement et la lecture de f0 sont possibles par effet piézoélectrique. Bien qu'il existe des solutions inorganiques prometteuses sans plomb, les céramiques de titano-zirconate de plomb (PZT) possèdent encore les meilleures propriétés parmi les matériaux piézoélectriques. Des micropoutres fabriquées en technologie hybride couches épaisses sérigraphiées, à actionnement et lecture piézoélectriques intégrés, libérées à l'aide d'une couche sacrificielle polyester et avec co-cuisson de toutes les couches pour leurs libérations sont présentées ici. Différentes géométries ont été testées de 1 mm à 2 mm de large et de 1 mm à 8 mm de long, pour une épaisseur d'environ 100 μm. Une masse volumique ρ PZT = 7200 kg/m³ a été obtenue (≈ 93%ρ PZT massif). Enfin, avec une micropoutre 1×2×0,1 mm³, une sensibilité Sm ≈ 85 Hz/μm et une LOD de 70 ng ont été trouvées, permettant des applications en détection de particules.

Fine particulate matters (PM) have a real impact on the quality of life and health of millions of people in large urban areas, especially in Asia. In order to detect them and quantify their concentration, optical PM sensors are the most widely studied, but remain relatively expensive and bulky. MEMS microcantilever transducers are widely used for gravimetric applications, for PM or gas detection, which requires high mass sensitivities (Sm) and low limits of detection (LOD). A solution is to focus on microcantilevers with high resonance frequencies (f0) and quality factors (Q), low measurement noise and low masses. Silicon microcantilevers are commonly used as gravimetric sensors and are serious candidates to meet the desired characteristics. However, screen printing has the potential for cheaper, faster and large scale manufacturing. Such microcantilevers can be actuated and f0 read-out using the piezoelectric effect. Although promising lead-free inorganic solutions exist, titanium lead zirconate (PZT) ceramics still have the best properties among piezoelectric materials. Screen-printed microcantilevers manufactured in hybrid thick-film technology, with integrated piezoelectric actuation and read-out, released using a polyester sacrificial layer and with co-firing of all the layers are presented here. Different geometries were tested from 1 mm to 2 mm wide and from 1 mm to 8 mm long, for a thickness of about 100 μm. A density ρ PZT = 7200 kg/m³ (≈ 93%ρ PZT bulk) was obtained. With a 1×2×0.1 mm³ microcantilever, a sensitivity Sm ≈ 85 Hz/μm and a LOD of 70 ng were found, compatible with applications in PM mass detection.